CN111536685A - 一种增大输出功率的电加热装置 - Google Patents

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张魏
赵长宇
李国文
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Abstract

一种增大输出功率的电加热装置，包括外壳、加热管、支撑、出流口及入流口；所述外壳外圆面两端分别设置有出流口及入流口，外壳内安装有加热管，加热管端部与外壳端部之间设置有间隙，且加热管与外壳内壁之间以及相邻加热管之间均通过支撑固定。随着横截面积的增大，换热系数和换热面积逐渐增加，加热管产生的热量更容易传给流体。在相同质量的加热管上加载更大的电功率，加热器结构更紧凑、换热效果更好。在不改变材料种类和不增大输入流体工质初速的情况下，通过改变加热管各截面的壁厚来改变功率分布，使其整体功率分布更合理，从而通过提升整体平均温度的方式来达到提高流体工质温度的目的。

Description

一种增大输出功率的电加热装置
技术领域
本发明属于电加热器技术领域，涉及一种增大输出功率的电加热装置。
背景技术
电加热器是指利用电能达到加热效果的电器。加热管是电加热器的核心部件，加热管通电后温度升高，电能转换成热能，热量再传给加热管周围的空气。由于随着空气的流动，空气温度逐渐升高，导致来流端到出流端加热管温度逐渐升高，加热能力受限于出流端一侧的材料温度极限，而在加热管来流端温度较低，距材料最大耐热温度仍有很大裕度。这意味着进行一定量的能量转化时需要的加热管材料更多，随着工业中使用的加热器功率增大和场地空间使用费用的提高，使用更少的材料设计紧凑式加热器可以有效地降低成本。由此引出增大来流端输出功率来提升流体工质温度的方案。通过改进保持两端温度基本均匀，使加热器两端都在较高的均匀的温度下工作，相同质量的加热管上可以加载更大的功率。
现有的一类加热器通过增大加热面积，保持两端温度均匀，但没有考虑所使用加热管材料的耐热极限温度的问题，这样会带来产品使用寿命较短和产品使用安全性等技术缺陷；现有的另一类加热器，在加热过程中使用电机和叶轮加速流经加热器的液体流速，以达到更快加热的目的，但这需要额外的能量输入，能量利用率的高低有待商榷。
发明内容
本发明提供一种增大输出功率的电加热装置，通过代替圆柱形加热棒的方式，增大来流端输出功率的加热装置。通过改变管道的壁厚来改变功率分布，使加热装置整体温度分布更均匀。电流I、电阻R和功率P之间的关系是P＝I2R，对电加热棒而言，电流I是恒定的，电阻R变大则使功率P变大；材料的电阻率ρ、管道长度L、管道的横截面积S与电阻R之间的关系是R＝ρ*L/S，材料选定后电阻率ρ不变，在管道长度L相等的情况下，减小横截面积S可以增大电阻R；依据此原理设计出来流端横截面积最小，沿流向管道横截面积逐渐增大的加热装置。这意味着减小入口段的管径(减少材料)反而可以增大输出功率。
一种增大输出功率的电加热装置，包括外壳、加热管、支撑、出流口及入流口；所述外壳外圆面两端分别设置有出流口及入流口，外壳内安装有加热管，加热管端部与外壳端部之间设置有间隙，且加热管与外壳内壁之间以及相邻加热管之间均通过支撑固定。
所述加热管分为等内径加热管、等中径加热管及等外径加热管；当采用等内径加热管时，加热管外径为非等直径设置，入流口端加热管外径小于出流口端加热管外径；当采用等中径加热管时，入流口端加热管内径大于出流口端加热管内径，入流口端加热管外径小于出流口端加热管外径；当采用等外径加热管时，加热管外径为等直径设置，入流口端加热管内径大于出流口端加热管内径。加热管选用等内径式加热管，管道内部便于清洁，根据原理可知，加热管还可选用等中径式或等外径式。在径向可用空间较小，需要整体结构紧凑时可选用等外径式加热管。在轴向可用空间较小，仍需要达到相同的加热效率时可选用等中径式加热管。
所述加热管内孔面及外表面均涂有防电化学腐蚀的绝缘涂层，根据不同的流体工质需选用不同的涂层以保证加热器的安全和长寿使用；所述入流口处安装流量监测器，所述出流口处安装温度探测器，流量监测器及温度探测器与芯片或计算机连接，使本发明更加智能化。
本发明的有益效果为：
1、单位长度加热管的加热功率从出流口端向着入流口端逐渐增大，加热管的温度变的更均匀，且加热管整体的输出功率大于改进前的输出功率。
2、随着横截面积的增大，换热系数和换热面积逐渐增加，加热管产生的热量更容易传给流体。在相同质量的加热管上加载更大的电功率，加热器结构更紧凑、换热效果更好。
3、在不改变材料种类和不增大输入流体工质初速的情况下，通过改变加热管各截面的壁厚来改变功率分布，使其整体功率分布更合理，从而通过提升整体平均温度的方式来达到提高流体工质温度的目的。
4、流体工质从入流口沿外壳的切向流入，相较于沿轴向直接流入，沿切向流入可在损失较少的流体动能的情况下增大流体的湍流度，可使流体与加热管间换热系数变大，增强流体与加热管之间的换热效果。
5、减少了所需材料使用量，增大了输出功率，相同质量的加热管上可以加载更大功率。
6、使整体结构更紧凑，节约空间，降低成本。
附图说明
图1为本发明增大输出功率的等内径式电加热装置三维示意图；
图2为本发明去掉外壳端部及入流口部分的增大输出功率的等内径式电加热装置轴测图；
图3为本发明图2侧视图；
图4为本发明等内径加热管轴侧图；
图5为本发明等内径加热管主视图；
图6为本发明等中径加热管轴侧图；
图7为本发明等中径加热管主视图；
图8为本发明等外径加热管轴侧图；
图9为本发明等外径加热管主视图；
1-外壳，2-加热管，201-等内径加热管，202-等中径加热管，203-等外径加热管，3-支撑，4-出流口，5-入流口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1至图5所示，一种增大输出功率的电加热装置，包括外壳1、加热管2、支撑3、出流口4及入流口5；所述外壳1为外圆面端部分别设置有出流口4及入流口5的圆筒结构，且圆筒两端封闭，外壳1内安装有三根加热管2，呈品字形排列，加热管2为等内径加热管201，加热管2外径为非等直径设置，入流口5端加热管2位外径小于出流口4端加热管2外径；加热管2端部与外壳1端部之间设置有间隙，且加热管2与外壳1内壁之间以及相邻加热管2之间均通过支撑3固定，支撑3位于加热管2中部设置。加热管2的具体数量根据实际的需要进行调整，在来流速度较大时，三角形支撑3使整体结构更加稳定。
所述加热管2内孔面及外表面均涂有防电化学腐蚀的绝缘涂层，根据不同的流体工质需选用不同的涂层以保证加热器的安全和长寿使用；所述入流口5处安装流量监测器，所述出流口4处安装温度探测器，流量监测器及温度探测器与芯片或计算机连接，使本发明更加智能化。
在等内径加热管201设计中，保持加热管2的内径尺寸不变，沿着空气流动方向逐渐增大加热管2的外径使管道的横截面积逐渐增大，其制造工艺相对简单。
流体工质从入流口5沿外壳1的切向流入，相较于沿轴向直接流入，沿切向流入可在损失较少的流体动能的情况下增大流体的湍流度，作为固定加热管2结构的支撑3还有扰流柱的作用，这些设计可使流体与加热管2间换热系数变大，增强流体与加热管2之间的换热效果，与增大来流端输出功率的设计理念相契合。流体工质流经等内径式加热管201时通过热对流和热传导两种方式获得热量，最后从出流口4流出。
实施例2
如图6和图7所示，实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中的加热管2为等中径加热管202，入流口5端加热管2内径大于出流口4端加热管2内径，入流口5端加热管2外径小于出流口4端加热管2外径。
在等中径加热管202设计中，加热管2的内径逐渐减小，外径逐渐增大，使加热管2横截面积增大较快。在相同质量的加热管2条件下，要达到相同的加热效果时，等中径加热管202的轴向尺寸较小。在对加热器有轴向尺寸约束而对径向尺寸无较多要求时可选用等中径加热管202以获得更好的效果。
实施例3
如图8和图9所示，实施例3与实施例1的区别在于，实施例3中的加热管2为等外径加热管203，加热管2外径为等直径设置，入流口5端加热管2内径大于出流口4端加热管2内径。
在等外径加热管203设计中，保持加热管2的外径尺寸不变，通过减小加热管2的内径使管道的横截面积逐渐增大。在对加热器径向尺寸或对加热管2间距有要求的情况下可选用等外径加热管203以获得更好的效果。随着加热管2横截面积逐渐变大，流体工质的流通面积逐渐变小，整个通道呈收缩趋势，这意味着流体工质的速度变高，与加热管2之间的换热系数增大。加热管2的横截面积变大也意味着加热管2表面和流体工质的对流换热面积增大，所以具有更强的传热能力。以此来达到优化输出功率分布的目的，解决因材料受限的问题，提高流体工质的温度。

Claims (3)

1.一种增大输出功率的电加热装置，其特征在于，包括外壳、加热管、支撑、出流口及入流口；所述外壳外圆面两端分别设置有出流口及入流口，外壳内安装有加热管，加热管端部与外壳端部之间设置有间隙，且加热管与外壳内壁之间以及相邻加热管之间均通过支撑固定。
2.根据权利要求1所述的一种增大输出功率的电加热装置，其特征在于：所述加热管分为等内径加热管、等中径加热管及等外径加热管；当采用等内径加热管时，加热管外径为非等直径设置，入流口端加热管外径小于出流口端加热管外径；当采用等中径加热管时，入流口端加热管内径大于出流口端加热管内径，入流口端加热管外径小于出流口端加热管外径；当采用等外径加热管时，加热管外径为等直径设置，入流口端加热管内径大于出流口端加热管内径。
3.根据权利要求1所述的一种增大输出功率的电加热装置，其特征在于：所述加热管内孔面及外表面均涂有防电化学腐蚀的绝缘涂层；所述入流口处安装流量监测器，所述出流口处安装温度探测器，流量监测器及温度探测器与芯片或计算机连接。
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